JP2015141966A - 成膜装置およびそれに用いる基板ホルダー - Google Patents

成膜装置およびそれに用いる基板ホルダー Download PDF

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Abstract

【課題】基板ホルダーから基板への副生成物粒子の飛散を抑制することができる成膜装置、およびそのような基板ホルダーを提供する。
【解決手段】基板上に化合物半導体膜を成膜する成膜装置は、処理容器内で基板ホルダー３４に複数の基板Ｗを保持した状態で、基板ホルダー３４を誘導加熱してその熱で基板Ｗを加熱しつつ、処理容器内に処理ガスを供給して成膜を行う。基板ホルダー３４は、周方向に沿って配列された、基板Ｗを収容して位置決めするための複数の凹部３７を有し、凹部３７の隣接するものの間には、これらを連結する連結凹部３８が形成されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、誘導加熱により基板上にＳｉＣ膜等の化合物半導体膜を成膜する成膜装置、およびそれに用いる複数の基板が載置される基板ホルダーに関する。
ＳｉＣ、ＧａＮ、ＧａＡｓ、ＡｌＮ等の化合物半導体は、Ｓｉよりも省エネルギーや小型化を実現できることが期待され、次世代半導体として注目されている。これら化合物半導体の製造には、基板上に化合物半導体膜を成膜してエピタキシャル成長させる手法が多用されている（例えば、特許文献１）。
化合物半導体膜を成膜する際には、基板上に基板結晶と同じ方位関係を有する単結晶を良好な結晶性を保持しつつ成長させるため、１０００℃以上の高温で長時間かけて成膜を行う必要がある。
このため、シリコン基板上へのメタル成膜等のような枚葉成膜とは異なり、スループット向上の観点から、基板ホルダー上に複数の基板を配置してこれら複数の基板に対して一括して成膜処理を行うセミバッチ方式が採用され、また、高温加熱の必要性から誘導加熱方式が採用される（例えば、特許文献２）。特許文献２において、基板ホルダーは円板状に形成され、その周方向に沿って基板を配置している。このようなセミバッチ方式の場合は、基板の位置決めは、通常、基板ホルダーに凹部を設け、その中に基板を配置することにより行われる。
特開２００１−０２４２２１号公報 特開２００８−１５９９４７号公報
しかしながら、基板ホルダーに周方向に沿って形成された複数の凹部に基板を配置し、誘導加熱して化合物半導体膜を成膜する場合には、基板ホルダーに副生成物が付着し、それが基板に飛散する場合があることが判明した。特に、基板ホルダーとしてグラファイトを用い、基板上にＳｉＣ膜を成膜する場合にこのような現象が顕著である。このように飛散する副生成物粒子は、粒子サイズが比較的大きく、基板上に付着するとデバイスに致命的な影響を与える。
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであって、基板ホルダーから基板への副生成物粒子の飛散を抑制することができる成膜装置、およびそのような基板ホルダーを提供することを課題とする。
上記課題を解決するため、本発明の第１の観点は、基板上に化合物半導体膜を成膜する成膜装置であって、成膜処理が行われる処理容器と、前記処理容器内で、複数の基板を保持する導電性材料からなる基板ホルダーと、前記処理容器内に誘導磁界を形成して前記基板ホルダーを誘導加熱するための誘導加熱コイルと、前記誘導加熱コイルに高周波電力を印加する高周波電源と、前記処理容器内に化合物半導体成膜用の処理ガスを供給するガス供給手段と、前記処理容器内を排気する排気手段とを備え、前記基板ホルダーは、周方向に沿って配列された、基板を収容して位置決めするための複数の凹部を有し、前記凹部の隣接するものの間には、これらを連結する連結凹部が形成されていることを特徴とする成膜装置を提供する。
本発明の第２の観点は、所定の処理ガスを供給して、基板上に化合物半導体膜を成膜する成膜装置において、処理容器内で複数の基板を保持し、誘導加熱されることにより保持した基板を加熱するための基板ホルダーであって、周方向に沿って配列された、基板を収容して位置決めするための複数の凹部を有し、前記凹部の隣接するものの間には、これらを連結する連結凹部が形成されていることを特徴とする基板ホルダーを提供する。
上記第１および第２の観点において、前記化合物半導体膜としてはＳｉＣ膜の場合が好適である。このとき、前記基板ホルダーとしては、グラファイトまたはＳｉＣで構成されたもの、あるいは、グラファイト製の本体にＳｉＣ膜をコーティングして形成されたものを好適に用いることができる。前記ＳｉＣ膜のコーティングは、前記処理容器内に、前記グラファイト製の本体を配置して、前記処理容器内に前記処理ガスを供給しつつ、誘導加熱することにより形成することができる。
前記凹部と前記連結凹部とが連続して環状凹部を構成することが好ましい。前記連結凹部の輪郭が曲線状であることが好ましい。
本発明によれば、基板ホルダーに基板を収容して位置決めするための複数の凹部を設け、前記凹部の隣接するものの間には、これらを連結する連結凹部を設けたので、誘導電流が多く流れる凹部間の壁が存在しなくなり、副生成物粒子の飛散量を少なくすることができる。したがって、基板上に付着する副生成物粒子の数を少なくすることができる。
本発明の一実施形態に係る成膜装置を示す断面図である。 図１の成膜装置に用いられる基板ホルダーの一例を示す平面図である。 図２の基板ホルダーの一部を示す斜視図である。 従来の成膜装置に用いられる基板ホルダーを示す平面図である。 従来の成膜装置において基板ホルダー上の基板にダウンフォールが発生するメカニズムを説明するための図である。 従来の基板ホルダーにおける累積膜厚に対するダウンフォールの個数を示す図である。 グラファイト製の基材にＳｉＣ膜をプリコートし、さらに連結凹部を形成した基板ホルダーを用いてＳｉＣ膜の成膜を行った際の、累積成膜時間とダウンフォール個数との関係を示す図である。 基板ホルダーの他の例を示す平面図である。 誘導加熱コイルの他の例を示す図である。 誘導加熱コイルのさらに他の例を示す図である。 誘導加熱コイルのさらにまた他の例を示す図である。
以下、添付図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る成膜装置を示す断面図、図２は図１の成膜装置に用いられる基板ホルダーの一例を示す平面図、図３は図２の基板ホルダーの一部を示す斜視図である。ここでは、ＳｉＣからなる基板（ウエハ）上にＳｉＣをエピタキシャル成長させて化合物半導体膜としてのＳｉＣ膜を成膜するセミバッチ式の成膜装置を例にとって説明する。
成膜装置１００は、内部に減圧空間が形成され、基板に成膜処理を施すための、略直方体状をなす処理容器１０を有している。処理容器１０は石英等の誘電体により構成されている。
処理容器１０には、排気ライン１２が接続され、排気ライン１２には排気手段である真空ポンプ１４と圧力調整手段であるコンダクタンス可変バルブ１３が設けられている。そして、真空ポンプ１４により排気ライン１２を介して処理容器１０内が排気されて処理容器１０内が所定の真空状態（減圧状態）に調整されるようになっている。また、処理容器１０には、圧力計１１が設置され、圧力計１１の測定値に基づいてコンダクタンス可変バルブ１３による処理容器内の圧力の調整が実施される。
処理容器１０の上側には、渦巻き状をなす誘導加熱コイル１６が設けられており、誘導加熱コイル１６には給電ライン１７を介して高周波電源１８が接続されている。また、給電ライン１７には、インピーダンス調整を行うマッチング回路１９が設けられている。そして、高周波電源１８から給電ライン１７を介して誘導加熱コイル１６に高周波電力が供給されることにより誘導磁界が生じ、処理容器１０内の導電体に誘導電流が流れて誘導加熱される。
また、成膜装置１００は、処理容器１０内にガスを供給する処理ガス供給系２０を有しており、処理ガス供給系２０から延びる処理ガス供給配管２１が処理容器１０に接続されている。
処理ガス供給系２０は、ＳｉＨ４ガス、Ｃ３Ｈ８ガス、Ｈ２ガス、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）ガス、Ｎ２ガスを供給する供給源と、これら供給源から処理ガス供給配管につながる配管系を有しており、配管系には開閉バルブおよびマスフローコントローラ等の流量制御器が設けられている。そして、処理容器１０内の基板上に、エピタキシャル成長によりＳｉＣ膜を成膜する際に、成膜のための原料ガスとして、ＳｉＨ４ガス、Ｃ３Ｈ８ガス、およびＨ２ガスが処理容器１０内に供給される。また、必要に応じて、ＴＭＡガスやＮ２ガスを供給することにより、形成されるＳｉＣ膜の電気的な特性を調整することができる。なお、これら処理ガスは一例であり、他のガスを用いてＳｉＣ膜を形成するようにしてもよい。
処理容器１０内には、複数枚の基板Ｗを保持する基板ホルダーを載置する円板状の載置台３０が処理容器１０内に水平に設けられている。載置台３０はその中心から下方に延びる筒状の回転軸３１により支持されており、回転軸３１は処理容器１０の底部を突き抜けてその下方に至り、図示しない回転駆動機構により回転され、回転軸３１の回転にともなって載置台３０が回転するようになっている。回転軸３１と処理容器１０の底部との間は流体シール３２により気密にシールされている。
載置台３０の上面には載置台３０よりも小径の円板状をなす基板ホルダー３４が水平状態で載置されるようになっており、この基板ホルダー３４に複数の基板Ｗが保持されるようになっている。本例では８枚の基板Ｗが基板ホルダー３４の周方向に等間隔に配列されるようになっている。ただし、基板ホルダー３４に保持される基板Ｗの枚数はこれに限るものではない。この基板ホルダー３４は、昇降部材３５に支持されており、昇降部材３５の下面から回転軸３１の中を昇降軸３６が下方に延びている。そして、図示しない昇降機構により昇降軸３６、昇降部材３５を介して基板ホルダー３４が昇降され、複数の基板Ｗを基板ホルダー３４ごと搬送できるようになっている。基板ホルダー３４は、処理容器１０の側壁に設けられた搬入出口（図示せず）から搬入出され、処理容器１０の外部で基板ホルダー３４に対する基板Ｗの移載が行われるようになっている。搬出入口はゲートバルブ（図示せず）により開閉される。また、載置台３０の回転とともに基板ホルダー３４も回転するようになっており、複数の基板Ｗが公転するようになっている。
載置台３０および基板ホルダー３４は、グラファイトやＳｉＣのような耐熱性が高く、かつ誘導加熱による加熱が容易な導電性材料で構成されている。図２、３に示すように、基板ホルダー３４の表面には、基板Ｗを収容して位置決めするための複数の凹部３７が形成されている。凹部３７は、基板Ｗの配列に対応して、基板ホルダー３４の周方向に等間隔に配列されており、隣接する凹部３７どうしは、連結凹部３８で連結されている。すなわち、隣接する凹部３７の間には壁がなく、凹部３７と連結凹部３８とが連続して環状凹部を構成している。
なお、基板ホルダー３４を載置台３０に固定して、処理容器１０内で基板Ｗを搬入・搬出するようにしてもよい。また、基板ホルダー３４を載置台３０とともに回転させるのではなく、基板ホルダー３４のみを回転させるように構成してもよく、また、基板ホルダー３４を回転させなくてもよい。さらに、基板Ｗが自転する機構を有していてもよい。
このように構成される成膜装置においては、まず、ゲートバルブを開けて搬入出口から搬送装置の搬送アームによって複数の基板Ｗを載置した基板ホルダー３４を処理容器１０内に搬入し、載置台３０上に載置する。そして、ゲートバルブを閉じて処理容器１０内を密閉状態とする。このとき、複数の基板Ｗは、基板ホルダー３４の表面に形成された各凹部３７に収容され、位置決めされている。
次いで、図示しない回転駆動機構により載置台３０とともに基板ホルダー３４を回転させながら、高周波電源１８をオンにして誘導加熱コイル１６に高周波電力を供給する。これにより、誘導加熱によって、導電体からなる載置台３０および基板ホルダー３４の温度が上昇する。
このとき、載置台３０および基板ホルダー３４は、グラファイトやＳｉＣのような、耐熱性が高く、誘導加熱による加熱が容易で、かつ輻射により基板Ｗを加熱しやすい材料で構成されているので、基板Ｗが効率よく加熱され、例えば１５００〜１７５０℃の高温に加熱される。
このように基板Ｗが加熱された状態で、処理ガス供給系２０から処理ガス供給配管２１を経て、処理容器１０内に、ＳｉＨ４ガス、Ｃ３Ｈ８ガス、およびＨ２ガスを供給する。ＳｉＣ膜の電気的な特性を調整する必要がある場合等は、必要に応じて、ＴＭＡガスやＮ２ガスを加える。
上記処理ガスの中で、Ｃ３Ｈ８ガスの分解温度は高く、１２００℃以上であるが、上述のように基板Ｗが例えば１５００〜１７５０℃の高温に加熱されるので、処理容器１０内に供給された処理ガスが基板Ｗ上で分解して、基板Ｗ上にエピタキシャル成長によりＳｉＣ膜を成膜することができる。
このように、基板ホルダー３４に複数枚の基板Ｗを保持した状態で一度に複数枚の基板Ｗを処理することができるので、枚葉式の成膜装置よりも処理効率が高い。
この成膜の際に、基板ホルダー３４の表面に副生成物が付着する。特に基板ホルダー３４がグラファイトで構成されている場合には、副生成物として３Ｃ−ＳｉＣ結晶が形成されやすくなる。
図４に示すように、従来の成膜装置では、単純に基板Ｗに対応する円形の凹部３７′を複数設けた基板ホルダー３４′を用いていたが、このような形状では、隣接する凹部３７′間に細い壁４１が存在する。このような細い部分には誘導電流が多く流れる傾向にあるため、壁４１には他の部分よりも多くの電流が流れ、他の部分よりも温度が上昇する。一方、グラファイト製の基板ホルダーに副生成物として付着する３Ｃ−ＳｉＣ結晶はグラファイトに対する密着性が悪いため、図５に示すように、より高い温度に加熱された壁４１の部分において副生成物４２がより剥がれやすくなり、副生成物粒子４３となって飛散し、基板Ｗ上に付着する。このように飛散する副生成物粒子４３は、粒子サイズが比較的大きく、基板Ｗ上に付着するとダウンフォールと呼ばれる欠陥となる。ダウンフォールが発生するとその部分のデバイスに致命的な影響を与える。そして、このようなダウンフォールは、基板ホルダーに対する副生成物の膜厚が所定の厚さを超えると急激に増加する。図６は、従来の基板ホルダーにおける累積膜厚に対するダウンフォールの個数を示す図である。この図に示すように、累積膜厚が１２０μｍを超えたあたりから、ダウンフォールの個数が急激に上昇することがわかる。
そこで、本実施形態では、より多くの誘導電流が流れる細い壁４１をなくし、基板Ｗを収容する凹部３７の隣接するものどうしが連結凹部３８で連結されるようにし、凹部３７と連結凹部３８とが連続して環状凹部を構成するようにする。
これにより、誘導電流が多く流れて温度が他の部分よりも高くなる部位をなくすことができ、副生成物粒子の飛散量を少なくすることができる。したがって、基板上に付着する副生成物粒子の数を少なくすることができる。
また、誘導電流は、尖った部分や角張った部分で大きくなりやすいので、連結凹部３８の輪郭は曲線状に形成することが好ましい。
基板ホルダー３４がＳｉＣで構成されている場合は、副生成物は４Ｈ−ＳｉＣ結晶となり、３Ｃ−ＳｉＣ結晶よりも剥がれにくいが、やはり高温部分における副生成物粒子の飛散は生じるため、本実施形態のような構造の基板ホルダーは有効である。副生成物粒子の飛散量自体を減少させる観点からは、基板ホルダー３４としてグラファイトを用いるよりもＳｉＣを用いるほうが有利である。
しかし、ＳｉＣはグラファイトよりも高価であるため、基板ホルダー３４として、グラファイト製の基材にＳｉＣ膜をプリコートしたものを用いることが好ましい。プリコート処理は、基板ホルダー３４を処理容器１０内の載置台３０の上にセットし、基板Ｗを保持しない状態で、高周波電源１８をオンにして誘導加熱コイル１６に高周波電力を供給して載置台３０および基板ホルダー３４を加熱しつつ、処理ガス供給系２０から処理ガス供給配管２１を経て、ＳｉＨ４ガス、Ｃ３Ｈ８ガス、およびＨ２ガスを処理容器１０内へ供給することにより行われる。
このようにしてプリコートを行うことにより、グラファイト製の基材に密着性良くＳｉＣプリコート膜が形成され、その後の成膜処理によって基板ホルダー３４に副生成物として形成される３Ｃ−ＳｉＣ結晶を少なくすることができ、ダウンフォールをより少なくすることができる。
実際に、基板ホルダーとして、基板収容用の複数の凹部を連結凹部で連結した本実施形態の基板ホルダーを用いた場合と、連結凹部を用いずに基板収容用の複数の凹部を独立して形成した従来の基板ホルダーを用いた場合とで、ダウンフォールの個数密度を比較した。なお基板ホルダーの材質はグラファイトとし、成膜温度１６３０℃、成膜時間６０ｍｉｎとした。その結果、従来の場合はダウンフォールが数十個／ｃｍ２レベルであったものが、０．７個／ｃｍ２に改善されたことが確認された。また、本実施形態の形状を有するグラファイト製の基材に膜厚３４μｍのＳｉＣプリコート膜を形成した基板ホルダーを用いてダウンフォールの個数密度を測定した結果、０．１個／ｃｍ２とさらに改善されたことが確認された。
次に、上記のようなグラファイト製の基材に膜厚３４μｍのＳｉＣプリコート膜を形成した基板ホルダーを用いて基板温度１７２５℃でＳｉＣ膜の成膜を行った際の、累積成膜時間とダウンフォール個数との関係を求めた。その結果を図７に示す。図７に示すように、ダウンフォール個数に多少ばらつきがあり、一時的に増加することがあるが、累積成膜時間が増加しても概ねダウンフォール個数１０個以下を維持していることが確認された。
なお、本発明は上記実施形態に限定されることなく種々変形可能である。例えば、上記実施形態では、基板ホルダー上に周方向に沿って複数の凹部を形成して周方向のみに基板を配置した場合を示したが、さらに他の位置に基板を配置することを排除するものではなく、例えば、図８に示すように、周方向の凹部３７の他に中央にも基板を収容する凹部１３７を設けて基板を配置してもよい。また、基板ホルダー上の周方向の凹部の数、すなわち周方向に配置される基板の数も上記実施形態に限るものではない。
また、上記実施形態では、誘導加熱手段として、処理容器１０の上側に渦巻き状をなす誘導加熱コイル１６を設けた例を示したが、これに限らず、図９に示すように、処理容器１０の下側に渦巻き状の誘導加熱コイル１６′を設けてもよいし、処理容器１０の上下両側に渦巻き状の誘導加熱コイルを設けてもよい。また、図１０に示すように処理容器１０に対して縦に巻回する誘導加熱コイル１６１を設けてもよく、さらに、図１１に示すように処理容器１０に対して横に巻回する誘導加熱コイル２６１を設けてもよい。また、コイルを巻回するのではなく、四角状のコイルを処理容器を取り巻くように数本配列した誘導加熱コイルでもよい。
また、上記実施形態では基板上に化合物半導体膜としてＳｉＣ膜を形成する場合について示したが、これに限らず、ＧａＮ膜、ＧａＡｓ膜、ＡｌＮ膜等の他の化合物半導体膜を形成する場合にも適用することができる。また、基板としては、これら化合物半導体膜をエピタキシャル成長により形成するために、通常用いるものを用いればよい。
１０；処理容器
１２；排気ライン
１４；真空ポンプ
１６，１６′，１６１，２６１；誘導加熱コイル
１８；高周波電源
２０；処理ガス供給系
２１；処理ガス供給配管
３０；載置台
３４；基板ホルダー
３７；凹部
３８；連結凹部
１００；成膜処置
Ｗ；基板

Claims (16)

  1. 基板上に化合物半導体膜を成膜する成膜装置であって、
    成膜処理が行われる処理容器と、
    前記処理容器内で、複数の基板を保持する導電性材料からなる基板ホルダーと、
    前記処理容器内に誘導磁界を形成して前記基板ホルダーを誘導加熱するための誘導加熱コイルと、
    前記誘導加熱コイルに高周波電力を印加する高周波電源と、
    前記処理容器内に化合物半導体成膜用の処理ガスを供給するガス供給手段と、
    前記処理容器内を排気する排気手段と
    を備え、
    前記基板ホルダーは、周方向に沿って配列された、基板を収容して位置決めするための複数の凹部を有し、前記凹部の隣接するものの間には、これらを連結する連結凹部が形成されていることを特徴とする成膜装置。
  2. 前記化合物半導体膜はＳｉＣ膜であることを特徴とする請求項１に記載の成膜装置。
  3. 前記基板ホルダーは、グラファイトで構成されることを特徴とする請求項２に記載の成膜装置。
  4. 前記基板ホルダーは、ＳｉＣで構成されることを特徴とする請求項２に記載の成膜装置。
  5. 前記基板ホルダーは、グラファイト製の本体にＳｉＣ膜をコーティングして形成されたものであることを特徴とする請求項２に記載の成膜装置。
  6. 前記ＳｉＣ膜のコーティングは、前記処理容器内に、前記グラファイト製の本体を配置して、前記処理容器内に前記処理ガスを供給しつつ、誘導加熱することにより形成されることを特徴とする請求項５に記載の成膜装置。
  7. 前記凹部と前記連結凹部とが連続して環状凹部を構成することを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の成膜装置。
  8. 前記連結凹部の輪郭が曲線状であることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の成膜装置。
  9. 所定の処理ガスを供給して、基板上に化合物半導体膜を成膜する成膜装置において、処理容器内で複数の基板を保持し、誘導加熱されることにより保持した基板を加熱するための基板ホルダーであって、
    周方向に沿って配列された、基板を収容して位置決めするための複数の凹部を有し、前記凹部の隣接するものの間には、これらを連結する連結凹部が形成されていることを特徴とする基板ホルダー。
  10. 前記化合物半導体膜はＳｉＣ膜であることを特徴とする請求項９に記載の基板ホルダー。
  11. グラファイトで構成されることを特徴とする請求項１０に記載の基板ホルダー。
  12. ＳｉＣで構成されることを特徴とする請求項１０に記載の基板ホルダー。
  13. グラファイト製の本体にＳｉＣ膜をコーティングして形成されたものであることを特徴とする請求項１０に記載の基板ホルダー。
  14. 前記ＳｉＣ膜のコーティングは、前記処理容器内に、前記グラファイト製の本体を配置して、前記処理容器内に前記処理ガスを供給しつつ、誘導加熱することにより形成されることを特徴とする請求項１３に記載の基板ホルダー。
  15. 前記凹部と前記連結凹部とが連続して環状凹部を構成することを特徴とする請求項９から請求項１４のいずれか１項に記載の基板ホルダー。
  16. 前記連結凹部の輪郭が曲線状であることを特徴とする請求項９から請求項１５のいずれか１項に記載の基板ホルダー。
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